基于剪应变损伤过程的综放窄煤柱煤巷非对称支护研究.pdf

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第 33 卷第 5 期采矿与安全工程学报 Vol.33 No.5 2016 年 09 月 Journal of Mining & Safety Engineering Sept. 2016 文章编号：1673-3363-(2016)05-0813-061 基于剪应变损伤过程的综放窄煤柱煤巷非对称支护研究殷帅峰 1，何富连 2，田多 1，赵勇强 2 (1．华北科技学院安全工程学院，北京 101601；2．中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083) 摘要针对王家岭煤矿窄煤柱煤巷顶板非对称大变形异常矿压显现，综合现场调研、理论分析、数值模拟、井下试验及现场实测，分析了顶板非对称变形破坏特征，提出槽钢简式桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术。研究得出：1）窄煤柱煤巷顶板非对称变形破坏特征：煤柱侧顶板煤体变形破坏敏感系数大且可持续性强；2）窄煤柱煤巷巷道中心轴两侧顶板煤体剪应变损伤形式和联结速度具有明显的不对称性；3）顶板控制机理：刚柔并济、重点偏移、点线结合、均衡承载。桁架锚索与单体锚索 500 mm 偏移布置围岩控制效果良好，顶板变形破坏协调一致。关键词槽钢桁架；偏移布置；非对称支护；控制机理中图分类号 TD 35 文献标志码 A DOI 10.13545/j.cnki.jmse.2016.05.008 Asymmetric support of coal roadway nearby narrow pillar based on the damage process of shear strain in fully-mechanized caving mining YIN Shuaifeng1，HE Fulian2，TIAN Duo1，ZHAO Yongqiang2 (1．College of Safety Engineering，North China University of Science & Technology，Beijing 101601，China； 2．School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China) Abstract Facing the controlling problems of the large asymmetric deformations in the process of roof support in coal roadway nearby narrow pillar, the asymmetric deformation failure characteristics of roof coal were analyzed through field investigation, theoretical analysis, numerical simulation, field test and monitoring, and the large-offset asymmetric support technology of parallel-arranged composed of channel-steel truss cables and single cable was put forward. The research results are as follows: 1) The deformation characteristics of coal roadway nearby narrow pillar are of high sensitivity coefficient and continuous deformation; 2) The damage forms and connection speed are asymmetric dramatically on both sides of coal roadway; 3) The controlling mechanisms of parallel-arranged are couple hardness with softness, key points highlight, point-line combination and balance loading. The deformations under 500 mm offset of two types of cables in the roof are coordinated and the controlling effects are well. Key words channel-steel truss；offset arrangement；asymmetric support；controlling mechanisms 收稿日期：2014-12-24 责任编辑：王江涛基金项目：国家自然科学基金项目(51604114，51574243)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016333)；中央高校基本科研业务费项目 (3142015086，3142015003) 作者简介：殷帅峰(1985—)，男，河南省汝州市人，讲师，博士，从事矿山压力方面的研究。 E-mail：yinshuaifeng@126.com Tel：15210567592 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

814 采矿与安全工程学报第 33 卷大型综放开采在实现厚及特厚煤层高产高效回采的同时，必然引起巷道断面尺寸扩大化、采动影响剧烈化和矿山压力显现严重化[1-2]，尤其对于综放窄煤柱煤巷，顶板表现出非对称大变形异常矿压显现。这就要求窄煤柱煤巷支护模式[1,3-4](支护结构、方式、参数)要适应围岩不对称变形破坏特征，从而有效抑制围岩的不对称矿压显现。研究采动煤巷顶板同一断面不同位置煤体剪应变损伤的演化过程，从煤体剪切破坏的角度解释巷道宏观矿压显现，并为巷道支护设计提供理论指导。本文以华晋焦煤王家岭煤矿 20321 窄煤柱煤巷非对称变形破坏为背景，通过煤体剪应变损伤过程的数值模拟，研究煤巷围岩非对称变形破坏的原因，提出窄煤柱煤巷槽钢简式桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术。 1 窄煤柱煤巷非对称支护的必要性 1.1 工程背景王家岭煤矿主采 2#煤层，平均厚度 6.2 m，采用综合机械化放顶煤一次采全高开采方法。203 盘区是王家岭煤矿主力生产盘区，其南翼为 201 盘区的采空区，该盘区直接顶为砂质泥岩，平均厚度 1.15 m；基本顶为细砂岩，平均厚度 9.7 m；底板为中砂岩，平均厚度 2.11 m。王家岭煤矿已经在 201 盘区 20103 综放工作面成功地将区段煤柱宽度由 19.4 m 减小至 8 m，且在桁架锚索与单体锚索 400 mm 偏移布置条件下，巷道控制效果良好。为扩大综放沿空掘巷在王家岭煤矿的应用范围，掌握综放沿空煤巷顶板变形破坏基本特征，矿方决定在 203 盘区南翼首采面 20321 综放工作面进一步开展 8 m 窄煤柱沿空掘巷试验，验证桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术在 203 盘区的适用性。 1.2 20321 窄煤柱煤巷非对称变形破坏特征 0~800 m 对称支护条件下，20321 窄煤柱煤巷 (主运巷)呈现非对称变形破坏特征。煤柱侧顶板煤体发生变形破坏，而回采侧顶板煤体相对完整、稳定，说明煤柱侧顶板煤体和回采侧顶板煤体变形破坏敏感系数(由于相邻工作面回采、巷道掘进和本工作面回采，顶板煤体受基本顶断裂、回转、变形等力学行为干扰，自身抗变形破坏能力降低，把顶板煤体抗变形破坏能力降低的幅度称为顶板煤体敏感性系数)不同；煤柱侧顶板发生冒漏，且冒漏长度、宽度及深度有进一步恶化的趋势，说明煤柱侧顶板变形破坏可持续性强。综上分析，20321 窄煤柱煤巷顶板变形破坏主要特征为：煤柱侧顶板变形破坏敏感系数大且可持续性强。 2 窄煤柱煤巷不同位置顶板煤体剪应变损伤过程数值模拟为研究窄煤柱煤巷不同位置顶板煤体剪应变损伤过程，在王家岭煤矿 20321 主运巷布置 3 个钻孔进行取芯，钻孔布置方案如图 1 所示。 Z1 Z2 Z3 500 5600 实体煤侧煤柱侧图 1 取芯钻孔布置方案 (mm) Fig.1 Asymmetric deformation and failure of coal road 取芯钻孔布置原则：沿巷道中心线两侧对称布置，钻孔深度与煤巷高度之和大于等于煤层厚度，确保能够采集到煤层顶板附近煤体样品。选取打钻过程中得到的钻孔深部位置煤芯，并在实验室加工成单轴压缩试验标准试件。其中：试件 M1 来源于 Z1 钻孔；试件 M2 来源于 Z2 钻孔；试件 M3 来源于 Z3 钻孔。为对煤样试件进行剪应变损伤模拟，需对 M1， M2，M3 进行下述预处理： 1) 煤样 M1，M2，M3 组分(即材质组成)、节理、孔隙及损伤内部特征的 CT 扫描[5-7]，结果如图 2 所示。扫描结果表明煤柱侧顶板煤体内部非煤组分含量较大，且节理裂隙发育速度比实体煤侧顶板煤体内部节理裂隙发育速度相对较快。 2) 进行单轴抗压强度试验，得到煤样应力-应变曲线，为后续数值模拟中加载水平确定提供数据支持。 3) 煤样 M1，M2，M3 组分、节理、孔隙及损伤内部特征的自定义编译建模。利用 C++程序编译 DLL(动态链接库)载入 FLAC3D 实现自定义本构模型，用 DLL 编程方法将 CT 扫描得到的煤样节理、孔隙及损伤内部特征载入自定义本构模型，以模拟 M1，M2，M3 试件真实剪应变损伤过程。根据上述要求，建立模型，其物理力学参数如中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

第 5 期殷帅峰等：基于剪应变损伤过程的综放窄煤柱煤巷非对称支护研究 815 表 1 所列。图 2 试件 M1，M2，M3 内部特征 CT 扫描三维重构 Fig.2 Three-dimensional reconstruction results of CT scan- ning of coal sample No. M1，M2，M3 表 1 计算模型物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters for calculation model 岩性 2#煤密度/ (g·cm-3) 1.38 弹性模量/GPa 6.72 体积模量/GPa 3.42 剪切模量/GPa 泊松比 2.97 0.32 2.1 煤样试件两端加载水平确定大量实验结果表明，煤体试件两端载荷水平达到单轴抗压强度的 70%~80%时(经过压密阶段和弹性变形阶段并进入塑性变形阶段后)，煤体内部开始出现剪应变损伤。综合考虑煤样试件节理、孔隙、损伤等内部特征及加载过程中煤体试件剪应变损伤差异化特点，确定数值模拟过程中，计算模型两端载荷水平分别为 50%单轴抗压强度、80%单轴抗压强度、90%单轴抗压强度及 100%单轴抗压强度，如图 3 所示。 90%载荷水平100%载荷水平 80%载荷水平 50%载荷水平 100 / % 平水荷载 75 50 25 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 位移/mm 图 3 计算模型两端加载水平控制节点 Fig.3 Sketch of relations of loading and displacement 各试件单轴抗压强度(表 2 中 100%加载水平对应载荷值)及不同加载水平载荷控制节点如表 2。表 2 煤样单轴抗压强度及不同加荷水平载荷控制节点 Table 2 Uniaxial compressive strength and load control points of roof coal 加载水平及对应载荷值/MPa 50% 6.40 6.01 5.42 80% 10.24 9.62 8.67 90% 11.52 10.82 9.76 100% 12.80 12.02 10.84 试件编号 M1 M2 M3 2.2 煤样试件不同加载水平剪应变损伤过程模拟结果煤样试件剪应变损伤过程可通过数值计算模型两端不同加载水平条件下的剪应变增量云图进行直观描述，试件 M1，M2，M3 剪应变增量云图模拟结果如图 4 所示。 (a) 煤样M1 (b) 煤样M2 (c) 煤样M3 从左到右试件两端加载水平为50%,80%,90%和100% 图 4 煤样试件剪应变增量演化过程 Fig.4 The evolvement process of shear strain increment 图 4 表明，窄煤柱煤巷同一断面不同位置顶板煤样剪应变损伤演化进程具有明显的不对称性，主要体现在： 1) 剪应变损伤形式的不对称性。对比图 4a，b， c 可知，实体煤侧顶板煤样只发生单向损伤，即煤样破坏后只形成 1 条倾斜方向的主裂纹，而煤柱侧顶板煤样发生双向损伤，煤样破坏后形成 2 条倾斜方向的裂纹。 2) 剪应变损伤裂纹联结速度的差异性。对比 80%加载水平条件下 M1，M2，M3 试件剪应变增量云图可知，同一加载水平，越靠近煤柱侧的煤样试件，倾斜方向主裂纹联结速度越快。若存在另一条倾斜方向裂纹，则该裂纹联结速度具有同样特征。中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

816 采矿与安全工程学报第 33 卷综上，窄煤柱煤巷巷道中心轴两侧顶板煤体剪柔并济”既能够通过煤柱侧槽钢桁架约束顶板大变应变损伤形式及联结速度具有明显的不对称性。煤柱侧顶板煤体剪应变损伤形成 2 条倾斜方向裂纹，且裂纹联结速度较快，导致煤柱侧顶板煤体变形破坏超前于实体煤侧顶板煤体变形破坏。为有效控制形，又能够通过“一体式”钢筋梯子梁适应顶板局部小变形。 2) 重点突出。该支护技术使用槽钢简式桁架锚索对煤柱侧顶板进行加强支护，相对于实体煤侧单回采期间巷道宏观矿压显现，提出窄煤柱煤巷非对体锚索支护，其支护结构和支护模式均发生改变，称支护围岩控制技术。 3 窄煤柱煤巷简式锚索桁架与单体锚索大偏移量非对称支护原理基于窄煤柱煤巷同一断面不同位置顶板煤体剪应变损伤形式以及联结速度的不对称性，结合槽钢简式桁架锚索支护的优势，提出窄煤柱煤巷槽钢简式桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术[8-11]。通过改变煤柱侧顶板支护形式和支护结构，提高煤柱侧顶板抗剪切破坏能力，避免“煤柱侧顶板失稳→顶板支承压力向实体煤侧转移→实体煤侧顶板失稳→巷道完全破坏”现象的发生。 3.1 组成结构组成结构主要包括：煤柱侧顶板槽钢简式桁架锚索系统、实体煤侧顶板单体锚索系统及特制“一体式”钢筋梯子梁(由 1 根 16#钢筋制成)。现场施工过程中，各组成构件叠放顺序自上到下依次为：钢筋网→特制钢筋梯子梁→槽钢(含槽内特制垫片)+ 挡板→1 根单体锚索+2 根槽钢锚索。 3.2 控制机理窄煤柱煤巷槽钢简式桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术的控制机理可总结为“刚柔并济、重点突出、点线结合、均衡承载”，如图 5 所示，具体阐述如下：单体锚索槽钢桁架锚索 2种锚索应力叠加区槽钢桁架煤柱帮实体煤帮图 5 控制机理 Fig.5 The control mechanism 1) 刚柔并济。刚柔并济主要体现在支护构件对顶板变形破坏的适应能力方面：“刚”指槽钢桁架对顶板变形破坏的刚性约束；“柔”指特制“一体式”钢筋梯子梁通过自身变形适应顶板变形；“刚支护针对性强。另外，槽钢简式桁架锚索和单体锚索整体向煤柱侧偏移，在支护空间上形成对煤柱侧顶板的重点支护。 3) 点线结合。点指单体锚索通过托板与顶板煤体形成点结构支护；线指在槽钢简式桁架锚索跨度范围内，槽钢与顶板煤体呈刚性线接触；点线结合指在顶板表层区域槽钢简式桁架锚索与单体锚索形成连续压缩应力带，共同维持巷道稳定。 4) 均衡承载。煤柱侧围岩支护模式和支护结构的改变，改善了煤柱侧围岩的承载特性，有利于煤柱侧围岩稳定性控制，使得煤柱侧围岩和实体煤侧围岩分担的顶板压力趋于均衡，实现了巷道顶板的全面均衡控制。 4 现场试验及实测 4.1 20321 窄煤柱煤巷非对称支护方案设计采用槽钢简式桁架锚索与单体锚索大偏移量非对称支护技术，结合理论计算、工程类比等方法，设计王家岭煤矿 20321 窄煤柱煤巷总体支护方案如图 6 所示。 1) 2 种锚索非对称布置方式 ① 顶板槽钢简式桁架锚索规格及布置方式： Φ17.8 mm×L8250 mm，钻孔深度 8 000 mm，槽钢简式桁架锚索跨度 1 500 mm，距煤柱帮 800 mm，排距 1 800 mm，煤柱侧锚索钻孔与铅垂线的夹角 15°。 ② 顶板单体锚索规格及布置方式：Φ17.8 mm×L8250 mm，钻孔深度 8 000 mm，距实体煤帮 1 800 mm，距平行位置槽钢简式锚索 1 500 mm，锚索钻孔与铅垂线夹角 15°。 2) 2 种锚索非对称布置特征顶板非对称支护特征表现在 2 个方面：一是煤柱侧顶板采用槽钢简式桁架锚索支护，而实体煤侧顶板采用单体锚索支护，支护结构不同；二是煤柱侧槽钢简式桁架锚索到煤柱侧巷帮距离为800 mm，而实体煤侧单体锚索到巷帮距离为 1 800 mm。顶板槽钢简式桁架锚索和单体锚索向煤柱侧的偏移量为 500 mm。中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

第 5 期殷帅峰等：基于剪应变损伤过程的综放窄煤柱煤巷非对称支护研究 817 0 5 2 3 × 0 5 9 0 5 4 5 × 0 0 9 3 × 0 5 9 0 5 4 图 6 总体支护方案 (mm) Fig.6 The overall support scheme 4.2 围岩控制效果实测为验证支护方案合理性，巷道掘进和维护过程中对围岩表面位移进行监测，测点布置如图 7 所示。 0 0 8 1 回采导致巷道二次变形，顶板最大变形量 346 mm，两帮最大变形量 365 mm；两帮最大变形量较大，后期支护实践中应加强煤柱帮支护。 2) 对比顶板测点 A1 和 A2 可知：煤柱侧顶板和实体煤侧顶板在巷道掘进阶段和后期回采阶段变形协调一致，且最大变形量为 313 mm。 20321 窄煤柱煤巷支护效果见图 9 所示。图 7 表面位移监测方案 (mm) Fig.7 The monitoring scheme of surface displacement 为得到非对称支护条件下煤柱侧和实体煤侧顶板协调变形特征，评价沿巷道宽度方向顶板均衡变形能力，验证顶板 2 种锚索 500 mm 偏移量的科学合理性，在布置常规测点基础上，增设 A1 和 A2 2 个测点。巷道表面位移观测结果如图 8 所示。 / m m 量形变道巷图 8 表面位移监测结果 Fig.8 The monitoring result of surface displacement 由图 8 可知： 1) 巷道掘进完成 30 d 后趋于稳定，顶板最大变形量 101 mm，两帮最大变形量 139 mm；工作面图 9 支护效果(距工作面 150 m) Fig.9 The support effect 综上，20321 窄煤柱煤巷非对称支护参数、尤其是顶板槽钢简式桁架锚索和单体锚索向煤柱侧偏移量(500 mm)设计科学合理，顶板变形得到有效控制，支护效果良好。 5 结论 1) 20321 窄煤柱煤巷顶板变形破坏主要特征为：煤柱侧顶板变形破坏敏感系数大且可持续性强。 2) 20321 窄煤柱煤巷煤柱侧顶板煤体剪应变损伤形成 2 条倾斜方向裂纹，且联结速度较快，导致煤柱侧顶板煤体单轴抗压强度较小，且变形破坏超前于实体煤侧顶板煤体。 3) 20321 窄煤柱煤巷槽钢简式桁架锚索与单体中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

818 采矿与安全工程学报第 33 卷 scanning tests on rock specimens with artificial initial crack under uniaxial conditions[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(3)：484-492． [7] 李廷春，吕海波，王辉．单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的 CT 扫描试验[J]．岩土力学，2010，31(1)：9-14． LI Tingchun，LYU Haibo，WANG Hui．CT real-time scanning tests on double cracks propagation under uniax- ial compression[J]．Rock and Soil Mechanics，2010， 31(1)：9-14． [8] 殷帅峰，蔡卫，何富连，等．高预紧力桁架锚索与单体锚索平行布置支护原理及应用[J]．中国矿业大学学报，2014，43(5)：823-830． YIN Shuaifeng，CAI Wei，HE Fulian，et al． Mechanism and application of parallel-arranged composed of truss cable and single cable with high preload[J]．Journal of China University of Mining & Technology，2014，43(5)： 823-830． [9] 严红，何富连，徐腾飞．深井大断面煤巷双锚索桁架控制系统的研究与实践[J] ．岩石力学与工程学报， 2012，31(11)：2248-2257． YAN Hong，HE Fulian，XU Tengfei．Study of dou- ble-cable-truss controlling system for large section coal roadway of deep mine and its practice[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(11)：2248- 2257． [10] 赵洪亮，姚精明，何富连．大断面煤巷预应力桁架锚索的理论与实践[J]．煤炭学报，2007，32(10)：1061- 1065． ZHAO Hongliang，YAO Jingming，HE Fulian． Application of prestress truss cable in large cross section coal roadway[J]．Journal of China Coal Society，2007， 32(10)：1061-1065． [11] 翁明月，殷帅峰，李其敏．桁架锚索与单体锚索不同支护结构研究及应用[J]．煤炭工程，2013(4)：100-103． WENG Mingyue，YIN Shuaifeng，LI Qimin．Study and application on different support structure of truss cable and single cable[J]．Coal Engineering，2013(4)：100- 103．锚索 500 mm 大偏移量布置，煤柱侧顶板和实体煤侧顶板变形协调一致，支护效果良好。参考文献： [1] 任奋华，来兴平，蔡美峰，等．破碎岩体巷道非对称破坏与变形规律定量预计与评价[J]．北京科技大学学报，2008，30(3)：221-226． REN Fenhua，LAI Xingping，CAI Meifeng，et al． Quantitative prediction and evaluation on the regularity of asymmetric damage and distortion upon broken rock mass roadways[J]．Journal of University of Science and Technology Beijing，2008，30(3)：221-226． [2] 何满潮，王晓义，刘文涛，等．孔庄矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究[J]．岩石力学与工程学报，2008，27(4)：673-678． HE Manchao，WANG Xiaoyi，LIU Wentao，et al． Numerical simulation on asymmetric deformation of deep soft rock roadway in Kongzhuang coal mine[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008， 27(4)：673-678． [3] 朱珍德，渠文平，蒋志坚．岩石细观结构量化试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2007，26(7)：1313-1324． ZHU Zhende，QU Wenping，JIANG Zhijian．Quantitative test study on mesostructure of rock[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(7)：1313- 1324． [4] 李廷春．三维裂隙扩展的试验及理论分析研究[D]．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2005． [5] 朱红光，谢和平，易成，等．岩石材料微裂隙演化的 CT 识别[J]．岩石力学与工程学报，2011，30(6)：1230- 1238． ZHU Hongguang，XIE Heping，YI Cheng，et al．CT identification of microcracks evolution for rock materi- als[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engi- neering，2011，30(6)：1230-1238． [6] 李术才，李廷春，王刚，等．单轴压缩作用下内置裂隙扩展的 CT 扫描试验[J]．岩石力学与工程学报，2007， 26(3)：484-492． LI Shucai，LI Tingchun，WANG Gang，et al．CT real-time 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

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